أ يعد الجزء الدوار للمحرك عالي السرعة جزءًا مهمًا من المحرك عالي السرعة، وعادةً ما يجسد عمودًا دوارًا. إنه يعمل عن طريق تسخير الطاقة الكهربائية الناتجة عن المحرك لنقل الحركة الدورانية إلى الأجهزة الميكانيكية. السمة المميزة للدوارات ذات المحرك عالي السرعة هي سرعة دورانها العالية، والتي غالبًا ما تتجاوز 10000 دورة في الدقيقة (دورة في الدقيقة).
في التصميم الهيكلي للدوارات ذات المحرك عالي السرعة، يجب إيلاء اعتبار كبير لعوامل مثل قوة الطرد المركزي وقوة التأثير التي تنشأ من التشغيل عالي السرعة. وهذا يتطلب تحسين الوزن المحوري، وأداء التوازن الديناميكي، ومقاومة التآكل. توجد عدة أنواع هيكلية شائعة للدوارات ذات المحرك عالي السرعة، بما في ذلك النوع الكمي، ونوع القرص، ونوع التعليق المغناطيسي، والنوع المستوي. يجب أن يعتمد اختيار النوع الهيكلي على الاحتياجات العملية.
المحركات عالية السرعة، التي تتميز بالحجم الصغير، وكثافة الطاقة العالية، والاتصال المباشر مع الأحمال عالية السرعة، والتخلص من الأجهزة الميكانيكية التقليدية لزيادة السرعة، وتقليل ضوضاء النظام، وتحسين كفاءة نقل النظام، لها آفاق تطبيق واسعة في مجالات مختلفة مثل آلات الطحن عالية السرعة، وأنظمة تبريد دوران الهواء، وعجلات الموازنة لتخزين الطاقة، وخلايا الوقود، وضواغط الطرد المركزي عالية السرعة لنقل الغاز الطبيعي، وأنظمة توليد الطاقة الموزعة المستخدمة كمعدات إمداد بالطاقة للطائرات أو على متن السفن. لقد أصبحت واحدة من النقاط الساخنة للبحث في مجال الهندسة الكهربائية الدولية.
تشمل الخصائص الرئيسية للمحركات عالية السرعة سرعة الدوار العالية، وتيار لف الجزء الثابت العالي، وتردد التدفق المغناطيسي في القلب الحديدي، وكثافة الطاقة العالية وكثافة الفقد. تتطلب هذه الخصائص تقنيات أساسية وطرق تصميم فريدة للمحركات عالية السرعة، مما يميزها عن المحركات التقليدية ذات السرعة. تدور دوارات المحرك عالية السرعة عادةً بسرعات تزيد عن 10000 دورة في الدقيقة. أثناء الدوران عالي السرعة، تكافح الدوارات المصفحة التقليدية لتحمل قوى الطرد المركزي الهائلة، مما يستلزم اعتماد هياكل دوارة مغلفة أو صلبة خاصة عالية القوة. بالنسبة للمحركات ذات المغناطيس الدائم، تكون مشكلات قوة الدوار أكثر وضوحًا نظرًا لأن المواد ذات المغناطيس الدائم الملبدة لا يمكنها تحمل إجهاد الشد الناتج عن دوران الدوار عالي السرعة، مما يستلزم اتخاذ تدابير وقائية للمغناطيس الدائم.
علاوة على ذلك، فإن الاحتكاك عالي السرعة بين الدوار وفجوة الهواء يؤدي إلى خسائر احتكاك على سطح الدوار أكبر بكثير من تلك الموجودة في المحركات ذات السرعة التقليدية، مما يشكل تحديات كبيرة لتبريد الدوار. لضمان قوة دوارة كافية، غالبًا ما تكون دوارات المحرك عالي السرعة نحيلة، مما يزيد من احتمالية الاقتراب من سرعات الدوران الحرجة مقارنة بالمحركات ذات السرعة التقليدية. لتجنب انحناء الرنين، من الضروري التنبؤ بدقة بسرعة الدوران الحرجة لنظام الدوار.
بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن لمحامل المحرك التقليدية أن تعمل بشكل موثوق بسرعات عالية، مما يستلزم اعتماد أنظمة تحمل عالية السرعة. يولد التيار المتناوب عالي التردد في اللف والتدفق المغناطيسي في قلب الحديد الثابت للمحركات عالية السرعة خسائر إضافية كبيرة عالية التردد في لف المحرك ونواة حديد الجزء الثابت والدوار. يمكن عادةً تجاهل تأثير الجلد وتأثير القرب على خسائر الملف عندما يكون تردد تيار الجزء الثابت منخفضًا، ولكن في حالات التردد العالي، يُظهر ملف الجزء الثابت تأثيرًا جلديًا كبيرًا وتأثير القرب، مما يزيد من خسائر الملف الإضافية.
لا يمكن لتردد التدفق المغناطيسي العالي في قلب الحديد الثابت للمحركات عالية السرعة أن يهمل تأثير تأثير الجلد، ويمكن أن تؤدي طرق الحساب التقليدية إلى أخطاء كبيرة. لحساب فقدان قلب الحديد الثابت للمحركات عالية السرعة بدقة، من الضروري استكشاف نماذج حساب فقدان الحديد في ظل ظروف التردد العالي. التوافقيات المكانية الناتجة عن شق الجزء الثابت وتوزيع الملفات غير الجيبية، بالإضافة إلى توافقيات الوقت الحالي الناتجة عن مصدر طاقة PWM، جميعها تنتج خسائر تيار إيدي كبيرة في العضو الدوار. يشكل الحجم الصغير للدوار وظروف التبريد السيئة صعوبات كبيرة لتبريد الدوار. ولذلك، فإن الحساب الدقيق لخسائر التيار الدوامي الدوار واستكشاف التدابير الفعالة لتقليلها أمر بالغ الأهمية للتشغيل الموثوق للمحركات عالية السرعة.
علاوة على ذلك، تشكل الفولتية أو التيارات عالية التردد تحديات أمام تصميم وحدة التحكم للمحركات عالية السرعة عالية الطاقة. المحركات عالية السرعة أصغر بكثير من المحركات التقليدية ذات السرعة المكافئة، وتتميز بكثافة طاقة عالية وكثافة فقدان، فضلاً عن صعوبة التبريد. بدون تدابير تبريد خاصة، يمكن أن ترتفع درجة حرارة المحرك بشكل مفرط، مما يؤدي إلى تقصير عمر الملف. خاصة بالنسبة للمحركات ذات المغناطيس الدائم، يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المفرطة للدوار إلى إزالة مغنطة المغناطيس الدائم بشكل لا رجعة فيه.
تشير المحركات عالية السرعة عمومًا إلى المحركات ذات سرعات الدوران التي تتجاوز 10000 دورة في الدقيقة أو قيم الصعوبة (حاصل ضرب سرعة الدوران والجذر التربيعي للقدرة) التي تتجاوز 1×10^5. من بين الأنواع المختلفة من المحركات المتوفرة حاليًا، تشمل تلك التي تحقق سرعات عالية بنجاح المحركات الحثية، ومحركات المغناطيس الدائم الداخلية، ومحركات الممانعة التبديلية، وعدد قليل من محركات المغناطيس الدائم الخارجية ومحركات القطب المخلبي. إن الهياكل الدوارة للمحركات الحثية عالية السرعة بسيطة نسبيًا، مع قصور دوراني منخفض وقدرة على العمل لفترات طويلة تحت درجات حرارة عالية وظروف عالية السرعة، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في التطبيقات عالية السرعة.
باختصار، تعد دوارات المحرك عالية السرعة مكونات محورية تمكن من التشغيل عالي السرعة للمحركات، وتتميز بسرعات دورانها العالية، وتصميماتها الهيكلية الخاصة، والتحديات في أنظمة التبريد والتحمل. مع التقدم التكنولوجي والتحديثات الصناعية، يتم تطبيق المحركات عالية السرعة بشكل متزايد في مجالات مثل السيارات الكهربائية والفضاء والروبوتات الصناعية والطاقة النظيفة، مما يدفع تطوير المواد والتقنيات عالية الأداء. على سبيل المثال، يؤدي الاستخدام الواسع النطاق للدوارات المصنوعة من ألياف الكربون إلى تعزيز كفاءة المحرك ومتانته بشكل كبير، مما يمثل حقبة جديدة من تكنولوجيا المحركات عالية السرعة.
